規模化水田田間灌排渠系布局影響研究

孫雪梅，黃 彥，孫艷玲

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

黑龍江省作為我國農業和粳稻第一大省，2018年，全省農業灌溉水量占用水總量的87%，水田灌溉用水量約占農田灌溉用水總量的98%左右，農業用水占比過高、水田灌水效率低、水資源承載力不足已成為限制我省水稻種植和農業發展的瓶頸問題[1]。在高標準農田和現代化灌區建設背景下，我省水田灌區格田已由碎片化、不規則、低平整度逐漸向規模化、標準化、高平整度發展，在規模化水田建設中，田間灌排工程的合理布局直接影響農田的生產能力和灌排保證率[2]。國內學者在灌溉渠系布局方面做了大量研究，程毅強[3]分析了水源、土壤條件、地塊形狀、地形條件、條田方向、機械作業、運行管理等約束條件對灌溉渠系布置的影響；吳昌春[4]以舒廬干渠灌區末級渠系為例，探討了末級渠系節水改造規劃設計方法，保證了節水改造項目投資效益；汪海濤[5]以高標準農田建設中灌溉渠道改造工程為例，從流量計算、斷面比選及結構布置等方面進行灌溉渠道設計。本文在水田灌區規模化格田條件下，對田間灌排渠系布局的影響因素進行分析，以期得到適合規模化水田的灌排工程最優布局，為規模化水田灌排工程建設提供依據，提高水田灌區排灌能力和抵御自然災害的能力，改善糧食生產的基礎條件。

1 規模化水田田間灌排渠系布局及形式

1.1 灌排渠系布置形式

灌排工程是農田水利建設發展不可或缺的內容，其灌溉功能是農業生產安全的重要保障[6]。渠系規劃要與其他相關規劃緊密配合，布置方案要結合田塊、林帶、道路等設計進行綜合考慮，統一安排[7]。灌排渠系布置分為灌排分開和灌排結合兩種形式。

(1)灌排分開布置形式。灌排分開布置形式的優點是利于控制地下水位，防止土壤堿化；灌溉與排水分別控制，靈活調控，不存在矛盾，有利于及時灌排；田間工程在規劃或改造時，可以保留大部分合理的排水溝道，也可將現有排水溝道平整后筑成渠道，充分利用資源，節省大量人力物力，是平原地區田間渠系的主要形式。

灌排分開布置形式又分為灌排相鄰布置和灌排相間布置。灌排相鄰布置渠道向一側供水，排水溝承泄一側排水，這種布置形式適用于地形有單一坡向，灌排方向一致的地區；灌排相間布置渠道向兩側灌水，排水溝承泄兩側的排水，這種布置形式適用于平坦地形。

(2)灌排結合布置形式。灌溉與排水系統采用同一渠道，其優點是在規劃建設時只需要復核現有排水溝道是否滿足灌溉的要求，并對其進行必要的改建即可完成；控制左右兩側格田，起到又灌又排作用，可以減少占地面積并節省渠道工程量。灌排結合布置形式要確保灌排不交叉運行，合理控制，灌區不需要控制地下水位，灌排矛盾小，格田之間有一定高差，渠沿著最大地面坡度方向布置。灌排結合布置形式不適合在農渠及田間毛渠規劃設計，通常只在支、斗兩級渠道結合布置，只在地勢較高、地面有相當坡度的地區或地下水位較低的平原地區適用。

1.2 渠系布置密度

渠系布置密度與地形、田塊大小、灌排方式、布置形式等關系密切。灌排方式分單灌單排和竄灌竄排兩種，單灌單排灌溉效率高，每個田塊均與灌排渠道相鄰，適合田塊大的區域；竄灌竄排灌溉效率相對較低，但可減少灌排渠道布置密度，可應用于田塊小的區域。布置形式分灌排分開、灌排相鄰和灌排一體，灌水方式有單項灌水和雙向灌水。目前，田塊大小一般為0.3 hm2、0.5 hm2、1.0 hm2，農渠布置間距可為100～400 m，按照灌排方式和地形坡度增加或減小農渠布置密度；斗渠一般為雙向灌水，布置密度是農渠長度的2倍。

1.3 渠道斷面形式

目前，末級渠系常用的渠道斷面形式為梯形、矩形和U型。梯形斷面渠道分預制和現澆兩種，預制梯形混凝土預制板厚度應不小于8 cm，質量以不大于25 kg/塊為宜；現澆混凝土預制板厚度應不小于10 cm，平面宜采用矩形，尺寸應不大于2.0 m×1.5 m；強度等級為C25F200。矩形和U型渠道由于成型工藝較復雜，一般采用裝配式，成型渠道現場直接鋪裝，施工工藝簡單，占地少，對于大型灌區斗渠以下和中型灌區支渠以下推薦采用裝配式渠道，可提高施工工效，強度等級為C30F300。考慮渠道使用壽命及寒地特點，應優先采用強度等級高、防滲防凍脹性能好的新型材料。

1.4 防凍脹措施

針對東北寒冷地區，灌溉渠系應采用基礎換填、EPS顆粒輕質土、EPS保溫板等防凍脹措施。基礎換填防凍脹技術是在凍結深度內將渠道底板下的凍脹性土換成非凍脹性土的一種防凍脹方法，置換材料通常采用砂礫石或中粗砂以及多種保溫材料；EPS顆粒輕質土是一種新型防凍脹材料，在細粒土或淤泥或砂土中添加水、固化劑混合攪拌，再加入泡沫塑料顆粒或球粒或碎片混合制成，密度和抗壓強度可以通過配方的改變進行調節，28 d抗壓強度一般在0.1～10 MPa之間。EPS保溫板防凍脹技術在寒冷地區的應用已經有30多年的經驗，取得較好的效果，并已經列入國家及行業標準中。

2 灌排渠系工程布局影響因素分析與研究

2.1 因素指標分析

灌排渠系工程布局需綜合考慮地形、格田、灌排水方式、渠道布置間距、渠道長度、渠系水利用效率和工程造價等因素。

(1)地形與灌水方式。對于坡度小于5°的坡地，農渠灌水方式選擇單向灌水；對于平坦的平原，農渠灌水方式選擇雙向灌水。斗渠灌水方式均為雙向灌水。

(2)格田規格與農渠間距。農渠垂直于格田長邊布置，單向灌水農渠間距為格田長邊長度，溝渠相鄰布置；雙向灌水農渠間距為格田長邊長度的2倍，溝渠相間布置；對于格田規格小的區域，為防止斗渠間距過小，增加施工成本，可選擇竄灌竄排方式。農渠布置間距可為100～400 m。

(3)斗渠、農渠長度。渠道長度過長會降低渠系輸水效率，綜合考慮渠系水利用效率和控制面積因素，農渠長度可為400～600 m，斗渠長度可為600～1000 m。

(4)斗渠控制面積。斗渠控制面積由渠道間距與長度決定。斗渠控制面積過小，會導致灌區渠道密度增加，工程量增加；斗渠控制面積過大，則會由于渠道過長降低輸水效率。應結合工程投資與輸水效率綜合考慮控制面積。

(5)渠系輸水效率。渠系輸水效率與渠道長度、施工質量相關，是衡量一個渠道系統的灌溉效率的指標，渠系布置應使渠系輸水效率最大化。

(6)工程造價。工程造價由渠道密度與長度決定，在保證灌溉面積和渠系水利用效率的同時，盡量降低工程造價，達到灌溉系統的優化布置。

2.2 灌排工程布局主要影響因素研究

(1)分析方法。利用主成分分析法對灌溉系統性能的影響因素進行分析。主成分分析(PCA) 為回歸分析的一種，是將多個影響因素轉換為少數相互無關的綜合指標的統計方法，該方法可以很好地處理變量間的多重相關性。主成分分析的數學模型如式(1)所示：

(1)

(i=1， 2， ...，p；j=1， 2， ...，k)

式中：Fj為各影響因素的成分；xi為灌溉系統性能的影響因素；aij為因子載荷系數。

通過計算各主成分的方差貢獻率，選出累計方差貢獻率大于85%的m(m

(2)

式中：ωj為第m個主成分的方差貢獻率；Wi為各影響因素的權重，將其歸一后得到的權重向量即為各影響因素的權重向量W，通過權重判斷各因素的硬性程度，得到主要影響因素。

(2)確定評價因素。選擇一個斗渠控制單元，選取農渠間距、農渠長度、斗渠長度、斗渠控制面積、渠系輸水效率及工程造價6個因素的合理區間進行不同組合，其中農渠間距選擇100 m、200 m、400 m三種寬度，農渠長度選擇400 m、600 m 二種長度，斗渠長度選擇600 m、800 m、1000 m三種長度，斗渠控制面積選擇66.67 hm2、200.00 hm2、333.33 hm2三種規模，工程造價和輸水效率根據渠道長度與控制面積計算。具體組合見表1。

表1 不同影響因素組合

2.3 分析結果

通過SPSS 軟件，得出各主成分的特征值及方差貢獻率見表2，可以看出第1、2、3、4主成分的累計方差貢獻率已達到85% 以上，表明前4個主成分已包含了各影響因素中的大部分信息，因此，選用主成分1、2、3、4即可對各因素進行描述。前4個主成分各影響因素的權重見表3，可以看出，控制面積、工程造價對灌排渠系工程布局影響最大，其次是農渠間距、斗渠長度和輸水效率，農渠長度對灌排渠系工程布局影響較小。

表2 各主成分的特征值及方差貢獻率

表3 主成分的因子載荷系數

3 結 論

本文介紹了東北地區規模化水田田間灌排渠系布局，包括渠系布置形式、布置密度、渠道斷面形式及防凍脹措施；選擇農渠間距、農渠長度、斗渠長度、斗渠控制面積、渠系輸水效率及工程造價6個因素，對其合理區間進行不同組合，利用主成分分析法對灌排渠系工程布局影響因素進行了評價，得出對灌排渠系工程布局影響最大的因素是控制面積、工程造價，其次是農渠間距、斗渠長度和輸水效率，農渠長度對灌排渠系工程布局影響較小；研究結果可為東北地區高標準農田及現代灌區建設提供技術方案。